MIMO multiutente è parte integrante dello standard 802.11ac. Ma fino ad ora non esistevano dispositivi che supportassero questo nuovo tipo di tecnologia multi-antenna. I router WLAN 802.11ac della generazione precedente erano designati come apparecchiature Wave 1. Solo con Wave 2 viene introdotta la tecnologia Multi-User MIMO (MU-MIMO), e questa seconda ondata di dispositivi è guidata da.

■ sì □ no

Poiché MIMO multiutente trasmette un segnale a più dispositivi contemporaneamente, il protocollo di trasmissione viene esteso di conseguenza in termini di intestazioni dei blocchi di dati: invece di trasmettere più flussi separati spazialmente per un singolo client, MIMO multiutente distribuisce la trasmissione a ciascun utente separatamente, come così come la codifica. L'assegnazione e la codifica delle bande di frequenza rimangono le stesse.

Single User Se quattro dispositivi condividono la stessa WLAN, un router con configurazione 4x4:4 MIMO trasmette quattro flussi di dati spaziali, ma sempre solo allo stesso dispositivo. Dispositivi e gadget vengono serviti alternativamente. Multi User Con il supporto Multi User MIMO non si formano code di dispositivi in ​​attesa di accedere alle risorse del router WLAN. I dati vengono forniti contemporaneamente a laptop, tablet, telefono e TV.

Una rete WLAN è come un'autostrada trafficata: a seconda dell'ora del giorno, oltre a PC e laptop, a questo traffico sono collegati tablet, smartphone, TV e console di gioco. In una famiglia media sono collegati a Internet tramite WLAN più di cinque dispositivi e il numero è in continua crescita. Con la velocità di 11 Mbps prevista nello standard core IEEE 802.11b, la navigazione in rete e il download dei dati richiedono molta pazienza, poiché il router può essere collegato solo ad un dispositivo alla volta. Se la comunicazione radio viene utilizzata da tre dispositivi contemporaneamente, ciascun client riceve solo un terzo della durata della sessione di comunicazione e due terzi del tempo vengono trascorsi in attesa. Sebbene le WLAN che utilizzano l'ultimo standard IEEE 802.11ac forniscano velocità di trasferimento dati fino a 1 Gbps, soffrono anche di un calo di velocità dovuto alle code. Ma la prossima generazione di dispositivi (802.11ac Wave 2) promette prestazioni più elevate per le reti radio con più dispositivi attivi.

Per comprendere meglio l'essenza delle innovazioni, è necessario innanzitutto ricordare quali cambiamenti sono avvenuti con le reti WLAN nel recente passato. Una delle tecniche più efficaci per aumentare la velocità di trasferimento dati, a partire dallo standard IEEE 802.1In, è la tecnologia MIMO (Multiple Input Multiple Output). Implica l'uso di più antenne radio per la trasmissione parallela di flussi di dati. Se, ad esempio, un singolo file video viene trasmesso tramite una WLAN e viene utilizzato un router MIMO con tre antenne, ogni dispositivo trasmittente invierà idealmente (con tre antenne al ricevitore) un terzo del file.

I costi aumentano con ogni antenna

Nello standard IEEE 802.11n la velocità massima di trasferimento dati per ogni singolo flusso, insieme alle informazioni di servizio, raggiunge i 150 Mbit/s. Gli apparecchi con quattro antenne sono quindi in grado di trasmettere dati a velocità fino a 600 Mbit/s. L'attuale standard IEEE 802.11ac raggiunge teoricamente circa 6900 Mbps. Oltre agli ampi canali radio e alla modulazione migliorata, il nuovo standard prevede l'utilizzo di un massimo di otto flussi MIMO.

Ma il solo aumento del numero di antenne non garantisce un'accelerazione multipla della trasmissione dei dati. Al contrario, con quattro antenne la quantità di dati di servizio aumenta notevolmente e anche il processo di rilevamento delle collisioni dei segnali radio diventa più costoso. Per rendere utile l’uso di più antenne, la tecnologia MIMO continua a migliorare. Per motivi di distinzione è più corretto chiamare il vecchio MIMO single-user MIMO (Single User MIMO). Sebbene fornisca la trasmissione simultanea di diversi flussi spaziali, come accennato in precedenza, ma sempre solo a un indirizzo. Questo svantaggio è ora eliminato utilizzando MIMO multiutente. Con questa tecnologia i router WLAN possono trasmettere un segnale contemporaneamente a quattro client. Un dispositivo con otto antenne potrebbe, ad esempio, utilizzarne quattro per alimentare un laptop e parallelamente utilizzarne altre due: un tablet e uno smartphone.

MIMO – segnale direzionale preciso

Affinché un router possa inoltrare contemporaneamente pacchetti WLAN a diversi client, ha bisogno di informazioni su dove si trovano i client. Per fare ciò, prima di tutto, vengono inviati pacchetti di prova in tutte le direzioni. I client rispondono a questi pacchetti e la stazione base memorizza i dati sulla potenza del segnale. La tecnologia beamforming è uno degli aiuti più importanti di MU MIMO. Sebbene sia già supportato dallo standard IEEE 802.11n, è stato migliorato in IEEE 802.11ac. La sua essenza sta nello stabilire la direzione ottimale per l'invio di un segnale radio ai clienti. La stazione base imposta in modo specifico la direttività ottimale dell'antenna trasmittente per ciascun segnale radio. Per la modalità multiutente è particolarmente importante trovare il percorso ottimale del segnale, poiché la modifica della posizione di un solo client può modificare tutti i percorsi di trasmissione e interrompere la velocità di trasmissione dell'intera rete WLAN. Pertanto il canale viene analizzato ogni 10 ms.

In confronto, MIMO per utente singolo analizza solo ogni 100 ms. MIMO multiutente può servire quattro client contemporaneamente, ciascun client riceve fino a quattro flussi di dati in parallelo, per un totale di 16 flussi. Questo MIMO multiutente richiede nuovi router WLAN poiché aumenta la necessità di potenza di calcolo.

Uno dei maggiori problemi con MIMO multiutente è l'interferenza tra i client. Sebbene la congestione del canale venga spesso misurata, non è sufficiente. Se necessario, ad alcuni frame viene data la priorità, mentre altri, al contrario, vengono rispettati. Per fare ciò, 802.11ac utilizza diverse code che elaborano a velocità diverse a seconda del tipo di pacchetto di dati, dando la preferenza, ad esempio, ai pacchetti video.

MIMO (Multiple Input Multiple Output, ingresso multicanale - uscita multicanale) è un metodo di utilizzo coordinato di più antenne radio nelle comunicazioni di rete wireless, comune nei moderni router domestici a banda larga e nelle reti cellulari LTE e WiMAX.

Come funziona?

I router Wi-Fi con tecnologia MIMO utilizzano gli stessi protocolli di rete dei normali router a collegamento singolo. Forniscono prestazioni più elevate migliorando l'efficienza della trasmissione e della ricezione dei dati tramite un collegamento wireless. In particolare, il traffico di rete tra client e router viene organizzato in flussi separati trasmessi in parallelo, con successivo ripristino da parte del dispositivo ricevente.

La tecnologia MIMO può aumentare la capacità di trasmissione, la portata e l'affidabilità quando esiste un rischio elevato di interferenze da altre apparecchiature wireless.

Applicazione nelle reti Wi-Fi

La tecnologia MIMO è inclusa nello standard a partire dall'802.11n. Il suo utilizzo migliora le prestazioni e la disponibilità delle connessioni di rete rispetto ai router convenzionali.

Il numero di antenne può variare. Ad esempio, MIMO 2x2 fornisce due antenne e due trasmettitori in grado di ricevere e trasmettere su due canali.

Per sfruttare questa tecnologia e realizzarne i vantaggi, il dispositivo client e il router devono stabilire una connessione MIMO tra loro. La documentazione dell'apparecchiatura utilizzata dovrebbe indicare se supporta questa funzionalità. Non esiste altro modo semplice per verificare se una connessione di rete utilizza questa tecnologia.

SU-MIMO e MU-MIMO

La prima generazione di tecnologia, introdotta nello standard 802.11n, supportava un metodo per utente singolo (SU). Rispetto alle soluzioni tradizionali, in cui tutte le antenne di un router devono essere coordinate per comunicare con un singolo dispositivo client, SU-MIMO consente di distribuire ciascuna antenna su apparecchiature diverse.

La tecnologia MIMO multiutente (MU) è stata creata per l'utilizzo nelle reti Wi-Fi 802.11ac a 5 GHz. Mentre lo standard precedente richiedeva ai router di gestire le connessioni client una alla volta (uno alla volta), le antenne MU-MIMO possono comunicare con più client in parallelo. migliora le prestazioni della connessione. Tuttavia, anche se un router 802.11ac dispone del supporto hardware necessario per la tecnologia MIMO, esistono altre limitazioni:

• supporta un numero limitato di connessioni client simultanee (2-4) a seconda della configurazione dell'antenna;
• il coordinamento dell'antenna viene fornito in una sola direzione: dal router al client.

MIMO e cellulare

La tecnologia viene utilizzata in diversi tipi di reti wireless. Trova sempre più applicazione nelle comunicazioni cellulari (4G e 5G) in diverse forme:

• Rete MIMO: trasmissione coordinata del segnale tra stazioni base;
• Massive MIMO: utilizzo di un gran numero (centinaia) di antenne;
• onde millimetriche: l'uso di bande di frequenza ultraelevata in cui la capacità è maggiore rispetto alle bande concesse in licenza per 3G e 4G.

Tecnologia multiutente

Per capire come funziona MU-MIMO, dobbiamo guardare come un router wireless tradizionale elabora i pacchetti di dati. Fa un buon lavoro di invio e ricezione di dati, ma solo in una direzione. In altre parole, può comunicare solo con un dispositivo alla volta. Ad esempio, se è in corso il download di un video, non è possibile eseguire contemporaneamente lo streaming di un videogioco online sulla console.

Un utente può eseguire più dispositivi su una rete Wi-Fi e il router molto rapidamente fa a turno inviando loro bit di dati. Tuttavia, può accedere solo a un dispositivo alla volta, il che è il motivo principale della scarsa qualità della connessione se la larghezza di banda Wi-Fi è troppo bassa.

Dal momento che funziona, attira poca attenzione su di sé. Tuttavia, l’efficienza di un router che trasmette dati a più dispositivi contemporaneamente può essere migliorata. Allo stesso tempo, funzionerà più velocemente e fornirà configurazioni di rete più interessanti. Questo è il motivo per cui sono emersi sviluppi come MU-MIMO che alla fine sono stati incorporati nei moderni standard wireless. Questi sviluppi consentono ai router avanzati di comunicare con più dispositivi contemporaneamente.

Breve storia: SU contro MU

MIMO per utente singolo e multiutente sono modi diversi con cui i router comunicano con più dispositivi. Il primo è più vecchio. Lo standard SU consentiva l'invio e la ricezione di dati tramite più flussi contemporaneamente, a seconda del numero di antenne disponibili, ciascuna delle quali poteva funzionare con dispositivi diversi. SU è stato incluso nell'aggiornamento 802.11n del 2007 e ha iniziato a essere gradualmente introdotto in nuove linee di prodotti.

Tuttavia, SU-MIMO presentava limitazioni oltre ai requisiti dell'antenna. Sebbene possano essere collegati più dispositivi, hanno comunque a che fare con un router che può gestirne solo uno alla volta. La velocità dei dati è aumentata e le interferenze sono diventate meno un problema, ma c’è ancora molto margine di miglioramento.

MU-MIMO è uno standard che si è evoluto da SU-MIMO e SDMA (Space Division Multiple Access). La tecnologia consente alla stazione base di comunicare con più dispositivi utilizzando un flusso separato per ciascuno di essi, come se tutti avessero il proprio router.

Il supporto MU è stato infine aggiunto in un aggiornamento dello standard 802.11ac nel 2013. Dopo diversi anni di sviluppo, i produttori hanno iniziato a includere questa funzionalità nei loro prodotti.

Vantaggi di MU-MIMO

Si tratta di una tecnologia entusiasmante perché ha un impatto notevole sull'utilizzo quotidiano del Wi-Fi senza modificare direttamente la larghezza di banda o altri parametri wireless chiave. Le reti stanno diventando molto più efficienti.

Per garantire una connessione stabile con laptop, telefono, tablet o computer, lo standard non richiede che il router abbia più antenne. Ciascuno di questi dispositivi non può condividere il proprio canale MIMO con altri. Ciò è particolarmente evidente durante lo streaming di video o l'esecuzione di altre attività complesse. La velocità di Internet è soggettivamente più elevata e la connessione è più affidabile, anche se in realtà la rete diventa più intelligente. Aumenta anche il numero di dispositivi sottoposti a manutenzione contemporaneamente.

Limitazioni di MU-MIMO

La tecnologia di accesso multiplo multiutente presenta anche una serie di limitazioni che vale la pena menzionare. Gli standard attuali supportano 4 dispositivi, ma consentono di aggiungerne altri e dovranno condividere lo streaming, il che riporta i problemi di SU-MIMO. La tecnologia viene utilizzata principalmente nei downlink ed è limitata quando si tratta di uplink. Inoltre, il router MU-MIMO deve disporre di più informazioni sullo stato del dispositivo e del collegamento rispetto a quelle richieste dagli standard precedenti. Ciò rende le reti wireless più difficili da gestire e risolvere i problemi.

MU-MIMO è anche una tecnologia direzionale. Ciò significa che 2 dispositivi posizionati uno accanto all'altro non possono utilizzare canali diversi contemporaneamente. Ad esempio, se un marito sta guardando uno streaming online in TV e sua moglie è nelle vicinanze e trasmette in streaming un gioco per PS4 sulla sua Vita tramite la riproduzione remota, dovranno comunque condividere la larghezza di banda. Un router può fornire solo flussi discreti a dispositivi che si trovano in direzioni diverse.

MIMO enorme

Mentre ci muoviamo verso le reti wireless di quinta generazione (5G), la crescita degli smartphone e delle nuove applicazioni ha comportato un aumento di 100 volte della larghezza di banda richiesta rispetto a LTE. La nuova tecnologia Massive MIMO, che ha ricevuto molta attenzione negli ultimi anni, è progettata per aumentare significativamente l’efficienza delle reti di telecomunicazioni a livelli senza precedenti. Considerata la scarsità e l’alto costo delle risorse disponibili, gli operatori sono attratti dall’opportunità di aumentare la capacità nelle bande di frequenza inferiori a 6 GHz.

Nonostante i progressi significativi, Massive MIMO è lungi dall’essere perfetto. La tecnologia continua ad essere oggetto di ricerca attiva sia nel mondo accademico che nell'industria, dove gli ingegneri si sforzano di ottenere risultati teorici con soluzioni commercialmente accettabili.

Massive MIMO può aiutare a risolvere due problemi chiave: throughput e copertura. Per gli operatori mobili, la gamma di frequenze rimane una risorsa scarsa e relativamente costosa, ma è una condizione chiave per aumentare la velocità di trasmissione del segnale. Nelle città, la spaziatura delle stazioni base è determinata dalla capacità piuttosto che dalla copertura, il che richiede l’implementazione di un gran numero di stazioni base e comporta costi aggiuntivi. Massive MIMO ti consente di aumentare la capacità di una rete esistente. Nelle aree in cui l’implementazione delle stazioni base è guidata dalla copertura, la tecnologia può estendere la portata delle stazioni base.

Concetto

Massive MIMO cambia radicalmente la pratica attuale utilizzando un numero molto elevato di antenne di servizio 4G che operano in modo coerente e adattivo (centinaia o migliaia). Ciò aiuta a concentrare la trasmissione e la ricezione dell'energia del segnale in aree più piccole dello spazio, migliorando notevolmente le prestazioni e l'efficienza energetica, soprattutto se combinato con la pianificazione simultanea di un gran numero di terminali utente (decine o centinaia). Il metodo era originariamente previsto per la trasmissione duplex a divisione di tempo (TDD), ma potrebbe potenzialmente essere utilizzato anche nella modalità duplex a divisione di frequenza (PDD).

Tecnologia MIMO: vantaggi e svantaggi

I vantaggi del metodo sono l’uso diffuso di componenti economici a basso consumo, latenza ridotta, livello di controllo degli accessi semplificato (MAC) e resistenza alle interferenze casuali e intenzionali. Il throughput atteso dipende dal mezzo di propagazione che fornisce collegamenti asintoticamente ortogonali ai terminali e gli esperimenti finora non hanno rivelato limitazioni a questo riguardo.

Tuttavia, insieme all’eliminazione di molti problemi, ne appaiono di nuovi che richiedono soluzioni urgenti. Ad esempio, i sistemi MIMO devono consentire a più componenti a basso costo e a bassa fedeltà di lavorare insieme in modo efficiente, raccogliere dati sullo stato del canale e allocare risorse ai terminali appena connessi. È inoltre necessario sfruttare i gradi di libertà aggiuntivi forniti dalle antenne di servizio ridondanti, ridurre il consumo energetico interno per raggiungere l’efficienza energetica complessiva e trovare nuovi scenari di implementazione.

Il numero crescente di antenne 4G coinvolte nelle implementazioni MIMO richiede in genere visite a ciascuna stazione base per modifiche alla configurazione e al cablaggio. L'implementazione iniziale delle reti LTE ha richiesto l'installazione di nuove apparecchiature. Ciò ha permesso di produrre una configurazione MIMO 2x2 dello standard LTE originale. Ulteriori modifiche alle stazioni base vengono apportate solo in casi estremi e le implementazioni di ordine superiore dipendono dall'ambiente operativo. Un altro problema è che il funzionamento MIMO comporta un comportamento della rete completamente diverso rispetto ai sistemi precedenti, il che crea alcune incertezze nella pianificazione. Pertanto, gli operatori tendono a utilizzare prima altri sviluppi, soprattutto se possono essere implementati tramite un aggiornamento del software.

Tecnologia basata sullo standard WiFi IEEE 802.11n.

Wi-Life fornisce una breve panoramica della tecnologia WiFi IEEE 802.11n .
Informativa estesa alla ns pubblicazioni video.

Primo generazione di dispositivi che supportano lo standard WiFi 802.11n è apparso sul mercato diversi anni fa. Tecnologia MIMO ( MIMO: input multipli/output multipli -multiple input/multiple output) è il nucleo di 802.11n. È un sistema radio con più percorsi di trasmissione e ricezione separati. I sistemi MIMO sono descritti utilizzando il numero di trasmettitori e ricevitori. Lo standard WiFi 802.11n definisce un insieme di possibili combinazioni da 1x1 a 4x4.

In un caso tipico di implementazione di una rete Wi-Fi in interni, ad esempio in un ufficio, officina, hangar, ospedale, il segnale radio raramente percorre il percorso più breve tra il trasmettitore e il ricevitore a causa di muri, porte e altri ostacoli. La maggior parte di questi ambienti ha molte superfici diverse che riflettono il segnale radio (onda elettromagnetica) come uno specchio riflette la luce. Dopo la riflessione, si formano più copie del segnale WiFi originale. Quando più copie di un segnale WiFi viaggiano lungo percorsi diversi dal trasmettitore al ricevitore, il segnale che prende il percorso più breve sarà il primo e le copie successive (o l'eco riflesso del segnale) arriveranno un po' più tardi a causa del tempo più lungo. percorsi. Questa è chiamata propagazione del segnale multipath (multipath). Le condizioni per la propagazione multipla cambiano costantemente perché... I dispositivi Wi-Fi si muovono spesso (uno smartphone con Wi-Fi nelle mani dell'utente), diversi oggetti si muovono creando interferenze (persone, automobili, ecc.). Se i segnali arrivano in tempi diversi e con angolazioni diverse, ciò può causare distorsioni e possibile attenuazione del segnale.

È importante ricordare che WiFi 802.11 n con supporto MIMO e un gran numero di ricevitori possono ridurre gli effetti multipercorso e le interferenze distruttive, ma in ogni caso è meglio ridurre le condizioni multipercorso ovunque e quando possibile. Uno dei punti più importanti è tenere le antenne il più lontano possibile da oggetti metallici (principalmente antenne WiFi omnidirezionali che hanno un diagramma di radiazione circolare o omnidirezionale).

Necessario capire chiaramente che non tutti i client Wi-Fi e i punti di accesso WiFi sono uguali dal punto di vista MIMO.
Sono disponibili client 1x1, 2x1, 3x3 e così via. Ad esempio, i dispositivi mobili come gli smartphone supportano molto spesso MIMO 1x 1, a volte 1x 2. Ciò è dovuto a due problemi chiave:
1. la necessità di garantire un basso consumo energetico e una lunga durata della batteria,
2. difficoltà nel disporre più antenne con spaziatura adeguata in un piccolo pacchetto.
Lo stesso vale per altri dispositivi mobili: tablet, PDA, ecc.

I laptop di fascia alta molto spesso supportano già MIMO fino a 3x3 (MacBook Pro, ecc.).

Andiamo Diamo un'occhiata alle tipologie principali MIMO nelle reti WiFi.
Per ora ometteremo il dettaglio del numero di trasmettitori e ricevitori. È importante comprendere il principio.

Primo tipo: Diversità quando si riceve un segnale su un dispositivo WiFi

Se nel punto di ricezione sono presenti almeno due ricevitori accoppiati con diversità d'antenna,
quindi è del tutto possibile analizzare tutte le copie su ciascun ricevitore per selezionare i segnali migliori.
Inoltre, con questi segnali si possono eseguire varie manipolazioni, ma a noi interessa soprattutto
la possibilità di combinarli utilizzando la tecnologia MRC (Maximum Ratio Combined). La tecnologia MRC verrà discussa più dettagliatamente di seguito.

Secondo tipo: Diversità quando si invia un segnale a un dispositivo WiFi

Se nel punto di invio sono presenti almeno due trasmettitori WiFi collegati con antenne distanziate, allora diventa possibile inviare un gruppo di segnali identici per aumentare il numero di copie delle informazioni, aumentare l'affidabilità nella trasmissione e ridurre la necessità di inviare nuovamente i dati nel canale radio in caso di smarrimento.

Terzo tipo: Multiplexing spaziale dei segnali su un dispositivo WiFi
(combinazione del segnale)

Se nel punto di invio e nel punto di ricezione ci sono almeno due trasmettitori WiFi collegati con antenne separate, allora diventa possibile inviare un insieme di informazioni diverse su segnali diversi in modo da creare la possibilità di combinare virtualmente tali flussi di informazioni in uno solo canale di trasmissione dati, il cui throughput totale tende alla somma dei singoli flussi che lo compongono. Questo si chiama multiplexing spaziale. Ma qui è estremamente importante garantire la possibilità di una separazione di alta qualità di tutti i segnali sorgente, che richiede una grande quantità SNR - rapporto segnale/rumore.

Tecnologia MRC (rapporto massimo combinato ) è utilizzato in molti punti di accesso moderni Wifi classe aziendale.
M.R.C. mirato ad aumentare il livello del segnale nella direzione da Wifi client al punto di accesso WiFi 802.11.
Algoritmo di lavoro M.R.C. comporta la raccolta su più antenne e ricevitori di tutti i segnali diretti e riflessi durante la propagazione multipercorso. Il prossimo è un processore speciale ( DSP ) seleziona il segnale migliore da ciascun ricevitore ed esegue la combinazione. Infatti, l'elaborazione matematica implementa uno sfasamento virtuale per creare un'interferenza positiva con i segnali aggiunti. Pertanto, il segnale totale risultante ha caratteristiche significativamente migliori rispetto a tutti quelli originali.

M.R.C. consente di fornire condizioni operative significativamente migliori per i dispositivi mobili a bassa potenza nella rete standard Wifi .

Sui sistemi WiFi 802.11n I vantaggi della propagazione multipercorso vengono utilizzati per trasmettere più segnali radio contemporaneamente. Ciascuno di questi segnali, chiamato " flussi spaziali", viene inviato da un'antenna separata utilizzando un trasmettitore separato. Poiché esiste una certa distanza tra le antenne, ciascun segnale segue un percorso leggermente diverso verso il ricevitore. Questo effetto è chiamato " diversità spaziale" Il ricevitore è inoltre dotato di diverse antenne con moduli radio separati, che decodificano indipendentemente i segnali in arrivo e ciascun segnale è combinato con i segnali di altri moduli radio riceventi. Di conseguenza, vengono ricevuti più flussi di dati contemporaneamente. Ciò fornisce un throughput significativamente più elevato rispetto ai precedenti sistemi WiFi 802.11, ma richiede anche un client compatibile con 802.11n.

Ora approfondiamo un po' questo argomento:
Nei dispositivi WiFi con MIMO è possibile suddividere l'intero flusso di informazioni in arrivo in più flussi di dati diversi utilizzando il multiplexing spaziale per il loro successivo invio. Vengono utilizzati più trasmettitori e antenne per inviare flussi diversi sullo stesso canale di frequenza. Un modo per visualizzarlo è che alcune frasi di testo possono essere trasmesse in modo che la prima parola venga inviata attraverso un trasmettitore, la seconda attraverso un altro trasmettitore, ecc.
Naturalmente, il lato ricevente deve supportare la stessa funzionalità (MIMO) per isolare completamente i vari segnali, riassemblarli e combinarli utilizzando, ancora una volta, il multiplexing spaziale. In questo modo abbiamo l'opportunità di ripristinare il flusso di informazioni originale. La tecnologia presentata consente di dividere un flusso di dati di grandi dimensioni in una serie di flussi più piccoli e trasmetterli separatamente l'uno dall'altro. In generale, ciò consente di utilizzare in modo più efficiente l'ambiente radio e in particolare le frequenze assegnate al Wi-Fi.

Tecnologia Wi-Fi 802.11n definisce anche come MIMO può essere utilizzato per migliorare l'SNR sul ricevitore utilizzando il beamforming di trasmissione. Con questa tecnica è possibile controllare il processo di invio dei segnali da ciascuna antenna in modo da migliorare i parametri del segnale ricevuto sul ricevitore. In altre parole, oltre all'invio di più flussi di dati, è possibile utilizzare più trasmettitori per ottenere un SNR più elevato nel punto di ricezione e, di conseguenza, una velocità di dati più elevata nel client.
È necessario notare le seguenti cose:
1. La procedura di beamforming di trasmissione definita nello standard Wi-Fi 802.11n richiede la collaborazione con il ricevitore (di fatto, con il dispositivo client) per ottenere un feedback sullo stato del segnale al ricevitore. Qui è necessario avere il supporto per questa funzionalità su entrambi i lati del canale, sia sul trasmettitore che sul ricevitore.
2. A causa della complessità di questa procedura, il beamforming di trasmissione non era supportato nella prima generazione di chip 802.11n sia sul lato terminale che sul lato punto di accesso. Attualmente neanche la maggior parte dei chip esistenti per i dispositivi client supporta questa funzionalità.
3. Esistono soluzioni per costruire reti Wifi , che consentono di controllare completamente il diagramma di radiazione sugli Access Point senza la necessità di ricevere feedback dai dispositivi client.

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Alla luce del rilascio di nuovi dispositivi wireless che supportano la tecnologia MU-MIMO, in particolare con l'uscita di UniFi AC HD (UAP-AC-HD), è necessario chiarire di cosa si tratta e perché il vecchio hardware non supporta questa tecnologia .

Cos'è 802.11ac?

Lo standard 802.11ac è una trasformazione della tecnologia wireless che ha sostituito la generazione precedente sotto forma dello standard 802.11n.

L'avvento di 802.11n, come precedentemente ipotizzato, avrebbe dovuto consentire alle aziende di utilizzare ampiamente questa tecnologia come alternativa alla connessione cablata convenzionale per lavorare all'interno di una rete locale (LAN).

802.11ac rappresenta un'ulteriore tappa nello sviluppo delle tecnologie wireless. Teoricamente il nuovo standard può fornire velocità di trasferimento dati fino a 6,9 Gbit/s nella banda da 5 GHz. Questo è 11,5 volte superiore alla portata della trasmissione dati di 802.11n.

Il nuovo standard è disponibile in due versioni: Wave 1 e Wave 2. Di seguito è possibile vedere una tabella comparativa degli standard attuali.

Qual è la differenza tra Onda 1 e Onda 2?

I prodotti 802.11ac Wave 1 sono disponibili sul mercato da circa la metà del 2013. La nuova revisione dello standard si basa sulla versione precedente dello standard, ma con alcune modifiche molto significative, vale a dire:

• Aumento delle prestazioni da 1,3 Gbit a 2,34 Gbit;
• Aggiunto supporto per MIMO multiutente (MU-MIMO);
• Sono consentiti canali ampi di 160 MHz;
• Quarto flusso spaziale (Spatial Stream) per maggiori prestazioni e stabilità;
• Più canali nella banda 5 GHz;

Cosa fanno esattamente i miglioramenti di Wave 2 per l'utente reale?

L'aumento del throughput ha un impatto positivo sulle applicazioni sensibili alla larghezza di banda e alla latenza all'interno della rete. Si tratta principalmente della trasmissione di contenuti vocali e video in streaming, nonché dell'aumento della densità della rete e dell'aumento del numero di client.

MU-MIMO offre enormi opportunità per lo sviluppo dell'Internet delle cose (IoT), quando un utente può connettere più dispositivi contemporaneamente.

La tecnologia MU-MIMO consente più downstream simultanei, fornendo un servizio simultaneo a più dispositivi, migliorando le prestazioni complessive della rete. MU-MIMO ha anche un impatto positivo sulla latenza, consentendo connessioni più veloci e un'esperienza client complessiva più rapida. Inoltre, le caratteristiche della tecnologia consentono di connettere alla rete un numero ancora maggiore di client simultanei rispetto alla versione precedente dello standard.

L'utilizzo di una larghezza di canale di 160 MHz richiede il rispetto di determinate condizioni (bassa potenza, basso rumore, ecc.), ma il canale può fornire un enorme aumento delle prestazioni durante la trasmissione di grandi quantità di dati. Per fare un confronto, 802.11n può fornire velocità di canale fino a 450 Mbps, il più recente 802.11ac Wave 1 può fornire fino a 1,3 Gbps, mentre 802.11ac Wave 2 con un canale da 160 MHz può fornire velocità di canale di circa 2,3 Gbps.

Nella precedente generazione dello standard era consentito l'uso di 3 antenne ricetrasmittenti; la nuova revisione aggiunge un 4° flusso. Questa modifica aumenta la portata e la stabilità della connessione.

Ci sono 37 canali nella banda 5 GHz utilizzata in tutto il mondo. In alcuni paesi il numero di canali è limitato, in altri no. 802.11ac Wave 2 consente l'utilizzo di più canali, il che aumenterà il numero di dispositivi simultanei in un unico posto. Inoltre, per i canali ampi da 160 MHz sono necessari più canali.

Sono previste nuove velocità di canale in 802.11ac Wave 2?

Il nuovo standard eredita gli standard introdotti con la prima release. Come prima, la velocità dipende dal numero di flussi e dalla larghezza del canale. La modulazione massima è rimasta invariata: 256 QAM.

Se in precedenza la velocità del canale di 866,6 Mbit richiedeva 2 flussi e una larghezza del canale di 80 MHz, ora questa velocità del canale può essere raggiunta utilizzando un solo flusso, aumentando la velocità del canale di due, da 80 a 160 MHz.

Come puoi vedere, non ci sono stati cambiamenti fondamentali. In connessione con il supporto dei canali a 160 MHz, è aumentata anche la velocità massima dei canali, fino a 2600 Mbit.

In pratica la velocità effettiva è circa il 65% della velocità del canale (PHY Rate).

Utilizzando 1 stream, modulazione 256 QAM e un canale da 160 MHz si può raggiungere una velocità reale di circa 560 Mbit/s. Di conseguenza, 2 flussi forniranno una velocità di scambio di ~1100 Mbit/s, 3 flussi – 1,1-1,6 Gbit/s.

Quali bande e canali utilizza 802.11ac Wave2?

In pratica Waves 1 e Waves 2 operano esclusivamente nella banda 5 GHz. La gamma di frequenza dipende dalle restrizioni regionali, di norma viene utilizzata la gamma 5,15-5,35 GHz e 5,47-5,85 GHz.

Negli USA per le reti wireless a 5 GHz è assegnata una banda di 580 MHz.

802.11ac, come prima, può utilizzare canali a 20 e 40 MHz, mentre allo stesso tempo si possono ottenere buone prestazioni utilizzando solo 80 MHz o 160 MHz.

Poiché nella pratica non è sempre possibile utilizzare una banda continua di 160 MHz, lo standard prevede una modalità 80+80 MHz, che dividerà la banda di 160 MHz in 2 bande differenti. Tutto ciò aggiunge maggiore flessibilità.

Tieni presente che i canali standard per 802.11ac sono 20/40/80 MHz.

Perché ci sono due ondate di 802.11ac?

L'IEEE implementa gli standard a ondate man mano che la tecnologia avanza. Questo approccio consente al settore di rilasciare immediatamente nuovi prodotti senza attendere che una caratteristica particolare venga finalizzata.

La prima ondata di 802.11ac ha apportato un miglioramento significativo rispetto a 802.11n e ha gettato le basi per ulteriori sviluppi.

Quando dovremmo aspettarci prodotti che supportino 802.11ac Wave 2?

Secondo le prime previsioni degli analisti, i primi prodotti di consumo sarebbero stati messi in vendita a metà del 2015. Le soluzioni aziendali e di operatore di livello superiore di solito vengono rilasciate con un ritardo di 3-6 mesi, proprio come è avvenuto con la prima ondata dello standard.

Entrambe le classi, consumer e commerciale, vengono solitamente rilasciate prima che la WFA (Wi-Fi Alliance) inizi a fornire la certificazione (seconda metà del 2016).

A febbraio 2017, il numero di dispositivi che supportano 802.11ac W2 non è così ampio come vorremmo. Soprattutto da Mikrotik e Ubiquit.

I dispositivi Wave 2 saranno significativamente diversi da Wave 1?

Nel caso del nuovo standard, continua la tendenza generale degli anni precedenti: smartphone e laptop vengono prodotti con 1-2 flussi, 3 flussi sono destinati a compiti più impegnativi. Non ha senso implementare la piena funzionalità dello standard su tutti i dispositivi.

L'apparecchiatura Wave 1 è compatibile con Wave 2?

La prima ondata consente 3 stream e canali fino a 80 MHz; per questa parte i dispositivi client e gli access point sono pienamente compatibili.

Per implementare le funzioni di seconda generazione (160 MHz, MU-MIMO, 4 stream), sia il dispositivo client che il punto di accesso devono supportare il nuovo standard.

I punti di accesso di prossima generazione sono compatibili con i dispositivi client 802.11ac Wave 1, 802.11n e 802.11a.

Pertanto, non sarà possibile utilizzare le funzionalità aggiuntive di un adattatore di seconda generazione con un punto di prima generazione e viceversa.

Cos'è MU-MIMO e cosa fa?

MU-MIMO è l'abbreviazione di "ingresso multiplo multiutente, uscita multipla". In effetti, questa è una delle innovazioni chiave della seconda ondata.

Affinché MU-MIMO funzioni, il client e l'AP devono supportarlo.

In breve, un punto di accesso può inviare dati a più dispositivi contemporaneamente, mentre gli standard precedenti consentivano l’invio di dati solo a un client alla volta.

In effetti, il MIMO normale è SU-MIMO, cioè MIMO per utente singolo, utente singolo.

Diamo un'occhiata a un esempio. Esiste un punto con 3 flussi (3 Spatial Streams / 3SS) e ad esso sono collegati 4 client: 1 client con supporto 3SS, 3 client con supporto 1SS.

Il punto di accesso distribuisce il tempo equamente tra tutti i client. Mentre si lavora con il primo client, il punto utilizza il 100% delle sue capacità, poiché il client supporta anche 3SS (MIMO 3x3).

Il restante 75% delle volte il punto funziona con tre client, ognuno dei quali utilizza solo 1 thread (1SS) sui 3 disponibili. Allo stesso tempo, il punto di accesso utilizza solo il 33% delle sue capacità. Maggiore è il numero di tali clienti, minore è l'efficienza.

In un esempio specifico, la velocità media del canale sarà di 650 Mbit:

(1300 + 433,3 + 433,3 + 433,3)/4 = 650

In pratica, ciò significherà una velocità media di circa 420 Mbit, su un possibile 845 Mbit.

Ora diamo un'occhiata a un esempio utilizzando MU-MIMO. Abbiamo un punto che supporta la seconda generazione dello standard, utilizzando MIMO 3x3, la velocità del canale rimarrà invariata: 1300 Mbit per una larghezza del canale di 80 MHz. Quelli. Allo stesso tempo, i client, come prima, non possono utilizzare più di 3 canali.

Il numero totale di client è ora 7 e il punto di accesso li ha divisi in 3 gruppi:

1. un cliente 3SS;
2. tre clienti 1SS;
3. un cliente 2SS + uno 1SS;
4. un cliente 3SS;

Di conseguenza, otteniamo un'implementazione del 100% delle funzionalità AP. Un client del primo gruppo utilizza tutti e 3 i flussi, i client dell'altro gruppo utilizzano un canale e così via. La velocità media del canale sarà di 1300 Mbit. Come potete vedere, la produzione è stata raddoppiata.

Point MU-MIMO è compatibile con i client più vecchi?

Sfortunatamente no! MU-MIMO non è compatibile con la prima versione del protocollo, ovvero Affinché questa tecnologia funzioni, i dispositivi client devono supportare la seconda versione.

Differenze tra MU-MIMO e SU-MIMO

In SU-MIMO, il punto di accesso trasmette i dati a un solo client alla volta. Con MU-MIMO, il punto di accesso può trasmettere dati a più client contemporaneamente.

Quanti client sono supportati contemporaneamente in MU-MIMO?

Lo standard prevede la manutenzione simultanea di un massimo di 4 dispositivi. Il numero massimo totale di thread può arrivare fino a 8.

A seconda della configurazione dell'attrezzatura sono possibili numerose opzioni, ad esempio:

• 1+1: due client, ciascuno con un thread;
• 4+4: due client, ciascuno utilizzando 4 thread;
• 2+2+2+2: quattro client, 2 thread ciascuno;
• 1+1+1: tre client su un flusso;
• 2+1, 1+1+1+1, 1+2+3, 2+3+3 e altre combinazioni.

Tutto dipende dalla configurazione hardware, solitamente i dispositivi utilizzano 3 flussi, quindi il punto sarà in grado di servire fino a 3 client contemporaneamente.

È anche possibile utilizzare 4 antenne in una configurazione MIMO 3x3. La quarta antenna in questo caso è aggiuntiva, non implementa uno stream aggiuntivo, in questo caso sarà possibile servire contemporaneamente 1+1+1, 2+1 o 3SS, ma non 4.

MU-MIMO è supportato solo per Downlink?

Sì, lo standard fornisce solo il supporto per Downlink MU-MIMO, ovvero il punto può trasmettere dati contemporaneamente a più client. Ma il punto non può “ascoltare” allo stesso tempo.

L'implementazione di Uplink MU-MIMO è stata considerata impossibile in breve tempo, quindi questa funzionalità verrà aggiunta solo nello standard 802.11ax, il cui rilascio è previsto nel 2019-2020.

Quanti flussi sono supportati in MU-MIMO?

Come accennato in precedenza, MU-MIMO può funzionare con qualsiasi numero di flussi, ma non più di 4 per client.

Per una trasmissione multiutente di alta qualità, lo standard raccomanda la presenza di più antenne e più flussi. Idealmente, per MIMO 4x4 dovrebbero esserci 4 antenne per la ricezione e altrettante per l'invio.

È necessario utilizzare antenne speciali per il nuovo standard?

Il design delle antenne rimane lo stesso. Come in precedenza, è possibile utilizzare qualsiasi antenna compatibile progettata per l'uso nella banda da 5 GHz per 802.11a/n/ac.

La seconda versione ha aggiunto anche il Beamforming, di cosa si tratta?

La tecnologia beamforming consente di modificare il diagramma di radiazione, adattandolo a un cliente specifico. Durante il funzionamento, il punto analizza il segnale proveniente dal cliente e ne ottimizza la radiazione. Durante il processo di beamforming è possibile utilizzare un'antenna aggiuntiva.

Un AP 802.11ac Wave 2 può gestire 1 Gbps di traffico?

Potenzialmente gli access point di nuova generazione sono in grado di gestire un simile flusso di traffico. La velocità effettiva dipende da una serie di fattori, che vanno dal numero di flussi supportati, dalla portata di comunicazione, dalla presenza di ostacoli fino alla presenza di interferenze, alla qualità del punto di accesso e del modulo client.

Quali gamme di frequenza vengono utilizzate in 802.11ac Wave?

La scelta della frequenza operativa dipende esclusivamente dalla legislazione regionale. L'elenco dei canali e delle frequenze è in continua evoluzione, di seguito sono riportati i dati per gli USA (FCC) e l'Europa, a gennaio 2015.

In Europa è consentito l'uso di una larghezza di canale superiore a 40 MHz, quindi non ci sono cambiamenti rispetto al nuovo standard; ad esso valgono le stesse regole dello standard precedente.

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MIMO - m tecnologie multi-antenna in LTE

Funzioni MIMO (M Ingresso multiplo – Uscita multipla)

L’utilizzo delle tecnologie MIMO (multiple input – multiple output) risolve due problemi:

Maggiore qualità della comunicazione grazie alla codifica spaziale temporale/frequenza e (o) beamforming,

Aumento della velocità di trasmissione quando si utilizza il multiplexing spaziale.

Struttura MIMO

In varie implementazioni di MIMO, ciò si riferisce alla trasmissione simultanea di più messaggi indipendenti su un canale fisico. Per implementare MIMO vengono utilizzati sistemi multi-antenna: dal lato trasmittente c'è Non antenne trasmittenti e sul lato ricevente no adottato Questa struttura è mostrata in Fig. 1.

Riso. 1. Struttura MIMO

Cos'è MIMO?

MIMO (inglese) Ingresso multiplo Uscita multipla) -un metodo di codifica spaziale del segnale che consente di aumentare la larghezza di banda del canale, in cui viene effettuata la trasmissione dei dati N antenne e la loro ricezione M antenne. Le antenne trasmittenti e riceventi sono sufficientemente separate da ottenere una debole correlazione tra antenne adiacenti.

Storia del MIMO

La storia dei sistemi MIMO come oggetto di comunicazione wireless non è ancora molto lunga. Il primo brevetto per l'uso del MIMO nelle comunicazioni radio fu registrato nel 1984 per conto del dipendente dei Bell Laboratories Jack Winters. Sulla base della sua ricerca, Jack Salz della stessa azienda pubblicò il primo articolo sulle soluzioni MIMO nel 1985. Lo sviluppo di quest'area è continuato dagli specialisti dei Bell Laboratories e da altri ricercatori fino al 1995. Nel 1996 Greg Raleigh e Gerald J. Foschini proposero una nuova implementazione del sistema MIMO, aumentandone così l'efficienza. Successivamente, Greg Raleigh, accreditato con OFDM ( Multiplexing a divisione di frequenza ortogonale– multiplexing portante ortogonale) per MIMO, fondò Airgo Networks, che sviluppò il primo chipset MIMO chiamato True MIMO.

Tuttavia, nonostante il periodo di tempo piuttosto breve dalla sua comparsa, la direzione MIMO si sta sviluppando in modo molto sfaccettato e comprende una famiglia eterogenea di metodi che possono essere classificati secondo il principio della separazione del segnale nel dispositivo ricevente. Allo stesso tempo, i sistemi MIMO utilizzano sia gli approcci già entrati in pratica per segnalare la separazione, sia quelli nuovi. Tra queste rientrano ad esempio la codifica spazio-temporale, di frequenza spaziale, di polarizzazione spaziale nonché la super-risoluzione nella direzione di arrivo del segnale al ricevitore. Grazie all’abbondanza di approcci alla separazione dei segnali, c’è voluto molto tempo per sviluppare standard per l’uso dei sistemi MIMO nelle comunicazioni. Tuttavia, tutti i tipi di MIMO mirano a raggiungere un obiettivo: aumentare la velocità di trasferimento dati di picco nelle reti di comunicazione migliorando l'immunità al rumore.

L'antenna MIMO più semplice è un sistema di due vibratori asimmetrici (monopoli), orientati con un angolo di ±45° rispetto all'asse verticale (Fig. 2).

Riso. 2 L'antenna MIMO più semplice

Questo angolo di polarizzazione consente ai canali di essere in condizioni uguali, poiché con un orientamento orizzontale-verticale degli emettitori, una delle componenti di polarizzazione riceverebbe inevitabilmente una maggiore attenuazione quando si propaga lungo la superficie terrestre. I segnali emessi indipendentemente da ciascun monopolo sono reciprocamente polarizzati ortogonalmente con un isolamento reciproco sufficientemente elevato nella componente di polarizzazione incrociata (almeno 20 dB). Un'antenna simile viene utilizzata sul lato ricevente. Questo approccio consente la trasmissione simultanea di segnali con le stesse portanti modulate in modi diversi. Il principio della separazione della polarizzazione consente di raddoppiare la capacità di un collegamento di comunicazione radio rispetto al caso di un singolo monopolo (in condizioni ideali di visibilità con identici orientamenti delle antenne riceventi e trasmittenti). Pertanto, essenzialmente qualsiasi sistema a doppia polarizzazione può essere considerato un sistema MIMO.

Ulteriore evoluzione del MIMO

Quando la tecnologia MIMO venne specificata nella Release 7, lo standard si stava diffondendo attivamente in tutto il mondo. Ci sono stati tentativi di combinare le reti di terza generazione con la tecnologia MIMO, ma non si sono diffusi. Secondo la Global Mobile Equipment Suppliers Association ( Associazione globale dei fornitori di telefonia mobile, GSA) datato 4 novembre 2010. A quel tempo, su 2.776 tipi di dispositivi abilitati HSPA sul mercato, solo 28 modelli supportavano MIMO. Inoltre, l’implementazione di una rete MIMO con bassa penetrazione dei terminali MIMO porta ad una diminuzione del throughput della rete. Nokia ha sviluppato una tecnologia per ridurre al minimo le perdite di larghezza di banda, ma sarebbe efficace solo se la penetrazione dei terminali MIMO fosse almeno del 40% dei dispositivi degli abbonati. In aggiunta a quanto sopra, vale la pena ricordare che il 14 dicembre 2009 è stata lanciata la prima rete mobile al mondo basata sulla tecnologia LTE, che ha permesso di raggiungere velocità molto più elevate. Sulla base di ciò, è chiaro che gli operatori puntavano alla rapida implementazione delle reti LTE piuttosto che all’aggiornamento delle reti di terza generazione.

Oggi possiamo notare la rapida crescita del volume del traffico nelle reti mobili di quarta generazione e, per fornire la velocità necessaria a tutti i loro abbonati, gli operatori devono cercare vari metodi per aumentare la velocità di trasferimento dei dati o migliorare l'efficienza di utilizzando le risorse di frequenza. MIMO, invece, consente di trasmettere nello stesso periodo di tempo quasi il doppio dei dati nella banda di frequenza disponibile con l'opzione 2x2. Se si utilizza un'implementazione dell'antenna 4x4, sfortunatamente la velocità massima di download delle informazioni sarà di 326 Mbit/s e non di 400 Mbit/s, come suggerisce il calcolo teorico. Ciò è dovuto alla particolarità della trasmissione tramite 4 antenne. A ciascuna antenna vengono assegnati determinati elementi di risorsa (RE) per la trasmissione di simboli di riferimento. Sono necessari per organizzare la demodulazione coerente e la stima del canale. La posizione di queste RE è mostrata in Fig. 3. Alle antenne trasmittenti vengono assegnati numeri di porta logici dell'antenna. I caratteri contrassegnati con R0 vengono trasmessi dalla porta 0, i caratteri con R1 vengono trasmessi dalla porta 1, ecc. Di conseguenza, il 14,3% di tutte le RE è destinato alla trasmissione dei simboli di riferimento, il che spiega la differenza tra velocità teorica e velocità pratica.